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2018-05-14 00:21:32
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쉽게 접근하기 위해서 먼저 Si 을 예로 들면, Si 의 최외각 전자는 4개로, 4개의 다른 Si 원자와 공유결합을 형성하여 최외각에 8개 전자를 두고 안정한 결정구조를 만들게 됩니다. 이 Si 고체는 절대영도에서는 모든 전자가 원자핵에 묶여 있을 것이며 따라서 전류가 흐르지 않을 것입니다. 온도가 상승하면 열에너지에 의해 일부 전자가 떨어져 나와 자유전자가 되어 약간의 전도성을 갖게 됩니다. 하지만 상온에서는 매우 낮은 수치라 순수한 Si 결정은 저항이 매우 높습니다.
여기서 Si 원자 하나를 최외각 전자가 5개인 P 로 치환하는 것을 가정해보죠. 그러면 순수 Si 일 때보다 전자가 1개 더 많아지게 됩니다. 이 1개의 잉여 전자는 쉽게 원자핵에서 떨어져 나와 자유전자가 되어 전류가 흐르는 데 기여할 수 있게 됩니다. 이렇게 전류를 흐르게 할 charge carrier 를 도입하기 위해 불순물을 넣는 것을 도핑이라고 합니다. 지금 예시를 든 P 의 경우 도핑을 통해서 negative (-) 전하를 갖는 charge carrier 가 생성되었으므로 n-type 도핑이 되고, 이렇게 n-type 도핑이 된 Si 을 n-type Si, 줄여서 n-Si 이라고 합니다(표현 방법은 상황에 따라 여러가지가 있음).
반대로 전자가 하나 적은 3개의 최외각 전자를 갖는 B 등을 도핑하여 전자가 부족해지도록 할 수도 있습니다. 이 경우에는 순수한 Si 결정에선 전자로 꽉 차 있던 자리에 빈자리가 생성되겠죠? 이런 빈자리를 향해 근처에 있는 전자가 이동해 올 수 있고, 따라서 이 방식으로도 전류가 흐를 수 있습니다. 이런 빈자리는 원래 (-) 전하를 갖는 전자가 있던 자리가 비는 것이라 (+) 전하를 갖는 입자처럼 취급할 수 있고, hole (정공) 이라고 부릅니다. 이 경우 positive (+) charge carrier 가 생성되었으므로 p-type Si 이 됩니다.
이어서 GaN 도 마찬가지로, 3가 이온인 Ga 과 5가 이온인 N 가 결합하고 있는데 (Ga 는 최외각 전자가 1개 부족하고, N은 1개 더 많으니 4개의 공유결합이 아닌 3개의 공유결합과 1개의 배위결합이 되겠죠), Ga 자리에 Ga 보다 최외각 전자가 하나 많거나 적은 원소를 도핑함으로써 마찬가지로 n-GaN 과 p-GaN 을 얻을 수 있습니다.